李衛(wèi)東，崔清宇，馬長華，雷海民，王晶娟

1.北京中醫(yī)藥大學 中藥學院，北京 102488；2.中藥材規(guī)范化生產(chǎn)教育部工程研究中心，北京 102488

航天育種，又稱航天誘變育種、太空育種、空間誘變育種，是指利用返回式航天器將植物材料帶到太空，利用太空特殊的環(huán)境誘導變異，再返回地面選育出新材料、新種質，培育新品種的育種途徑和方法。航天育種是集航天技術、農(nóng)業(yè)育種技術和生物技術于一體的跨學科的高新技術。與傳統(tǒng)誘變育種相比，航天育種具有變異幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性強、育種周期短等特點，且不存在基因安全問題，是培育高產(chǎn)、優(yōu)質、早熟、多抗良種的有效途徑[1]。經(jīng)過30余年的不斷探索與實踐，我國航天育種在農(nóng)、林等領域取得了重要成就。中草藥育種是中藥農(nóng)業(yè)中的重要內容，雖然起步較晚，但這項工作的深入開展對于提高中藥品質、產(chǎn)量及臨床療效具有重要意義。

1 我國中草藥航天育種研究進展

我國中草藥種子首次航天搭載于1987年8月5日發(fā)射的第9顆返回式衛(wèi)星，首次搭載包括人參、甘草、東方罌粟、雞冠花等中草藥種子，從首次搭載至今，共搭載中草藥種子29次，包括丹參、板藍根、黃芩、桔梗、白芷、知母、防風、決明、射干、白術、玫瑰、紅花、洋金花、夏枯草、長春花、歐李等，搭載后開展了相關的育種研究工作。

1.1 有效成分及其含量變化

有效成分及其含量是中草藥發(fā)揮藥效的物質基礎，是其品質的重要體現(xiàn)。甘草、丹參、夏枯草、長春花、蛹蟲草等10余種中草藥種子航天搭載，地面種植評價發(fā)現(xiàn)，其有效成分含量明顯增加(見表1)。如航天搭載后甘草中甘草酸的含量是對照的2.19倍，甘草苷的含量是對照的1.18倍[2]。太空丹參中的丹酚酸B、丹參酮ⅡA的含量分別較對照提高13%與50%，多糖含量提高16%[3]。航天搭載后的夏枯草干燥果穗中迷迭香酸質量分數(shù)為1.97%～2.69%，是對照的2倍[4]。太空長春花中長春堿質量分數(shù)為300 μg·g-1，為對照的3倍以上[5]。航天搭載蛹蟲草的蟲草素含量較原始菌株提高2.5倍，腺苷含量提高2倍[6]。此外，航天搭載后的桔梗、知母、白芷、防風、葫蘆巴、黃芩、射干等[7-13]有效成分含量也發(fā)生了明顯變化(見表1)。

航天搭載對中草藥中的礦質元素種類及含量也有顯著影響。太空丹參Cu/Zn比值由對照的0.68提高到1.0，Cr、Mn、Fe含量分別提高60%、50%、30%[14]。太空黃芩中Fe、Zn、Ca、Mg和Sr的含量高于對照，其中Ca和Sr的含量有大幅提高(75.7%和48.6%)，而K和Cu的含量卻有所降低[15]。王志宙等[16]發(fā)現(xiàn)太空黃芩中Ca、Na、Zn、S含量分別比對照有不同程度增加。航天搭載后的射干K、Mg、Ca、Mn、Fe含量顯著高于對照，而Al含量明顯降低[17]。太空白術較對照少了Na和Ti 2種元素，K和Mn的含量分別提高1.16和1.15倍，而Si和P含量大幅度下降，分別下降了82.1%和71.2%[18]。

1.2 藥效學

中草藥種子搭載后代的藥效學評價研究尚少。太空丹參對血瘀證大鼠的全漿黏度、低切(5/S)、低切相對指數(shù)、全血黏度中切(50/S)、全血高切、紅細胞剛性指數(shù)、紅細胞聚集等藥效學方面的作用強于對照[3]。太空甘草較對照具有較強的抗炎藥理活性，并且發(fā)現(xiàn)來自道地產(chǎn)區(qū)杭錦旗甘草種群的活性最強[19]。

1.3 經(jīng)濟產(chǎn)量

中草藥經(jīng)濟產(chǎn)量指藥用植物中可供直接藥用或供制藥工業(yè)提取原料的藥用部位的產(chǎn)量，這是評價中草藥應用的重要指標，但這方面的研究鮮有報道。太空丹參產(chǎn)量較對照提高了14%[3]，但未達到顯著水平。太空玫瑰花產(chǎn)量提高了22%～64%，其最高出油率為0.235%(對照0.173%)，增加了35.8%[20]。

表1 航天搭載后有效成分含量變化的中草藥名錄

1.4 藥材外觀性狀與顯微性狀

外觀性狀與顯微性狀是藥材鑒定的重要指標。與地面板藍根相比，太空板藍根根部明顯增粗，對照粉末呈淺黃棕色，太空板藍根粉末顏色變淺，為淡白色，淀粉粒增多，且直徑較大，薄壁細胞壁變薄，木栓細胞排列較好等，表明太空板藍根部分顯微組織有一定程度改變[21]。太空防風根部較對照明顯增粗，表面顏色變深，氣稍濃，橫截面芯部顏色淺黃，韌皮薄壁細胞壁變薄，油管中條塊狀分泌物明顯減少[22]。因此，航天育種可能會引起藥材外觀性狀與顯微性狀的變化。

1.5 植物學特性

太空丹參表現(xiàn)植株較矮小，葉片肥厚、較大、表面皺縮、深綠色，莖節(jié)間距變短，根表面紅棕色[3]。太空玫瑰表現(xiàn)在花期較對照延長了3～4個月，單個花徑增大了23%～39%，此外，在單花重、花色、花型、香氣質量、枝條皮色、株型等方面性狀都有較大變化[3]。太空夏枯草出現(xiàn)了莖色變淺、葉色變淺、花色變淺、莖桿無毛等表型變異，還發(fā)現(xiàn)航天搭載處理使夏枯草生長、發(fā)育、成熟過程普遍減慢[4]。太空決明植株的株高、莖粗、分枝數(shù)、莢果數(shù)與對照相比顯著增加，單株產(chǎn)量顯著提高[23]?？梢?，航天誘變處理大大提高了植株表型突變率，其后代穩(wěn)定性有待深入研究。

2016年9月15日，北京中醫(yī)藥大學提供的歐李種子搭載天宮二號飛向太空，在太空飛行64 d后于2016年11月18日，搭載神舟十一號載人飛船順利返回著陸。2017年4月，經(jīng)過沙藏的太空誘變歐李種子播種于河北承德基地，2018年進入初果期，調查表明，這些誘變種子后代的植株長勢，葉片形狀、大小，以及果實形狀、大小、顏色等發(fā)生了不同程度變化，深入研究正在進行中。

1.6 植物生理生化變化

同工酶是指生物體內催化相同反應而分子結構不同的酶，也是植物基因表達較直接的產(chǎn)物。太空丹參的蛋白質譜帶條數(shù)為14條，對照為7條；過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)同工酶的條帶的數(shù)量有差異，并且太空丹參同工酶的多條譜帶的表達強于對照[3]。太空板藍根與對照間的酯酶同工酶酶帶數(shù)目存在差異[24]。航天誘變后植株生物材料同工酶的差異揭示，在催化相同的化學反應上存在差異，這種差異可能影響次生代謝過程及其表達，導致中草藥品質發(fā)生變化。

太空丹參中的葉綠素、類胡蘿卜素的總量在其不同生長階段均高于對照，其凈光合速率、光補償點、光飽和點均高于對照[3]。衛(wèi)星搭載處理對雞冠花種子萌發(fā)產(chǎn)生了明顯的促進作用，發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別提高了7.28%和13.36%[25]。在干旱脅迫下太空甘草種子的萌發(fā)率和胚根長勢都要明顯的高于對照，其種子中可溶性蛋白質含量在種子萌發(fā)3 d 后，POD和CAT含量在萌發(fā)5 d后均明顯高于對照[2]。太空決明植株葉片葉綠素含量顯著升高，SOD含量高于對照，而POD、丙二醛含量較對照降低[23]。

1.7 細胞學效應與分子標記

太空丹參的根尖細胞染色體數(shù)目與對照相同，且類型相似，只在染色體的形態(tài)及臂比方面存在較小差異，表明航天搭載對丹參的染色體核型影響較小[3]。太空搭載對黃芩染色體類型影響較大，出現(xiàn)了染色體畸變[26]。太空洋金花植物的葉綠體中的囊泡、葉綠體的基粒片層、淀粉粒等存在不同程度的變化[27]。此外，在紅花、桔梗搭載后植物細胞的超微結構也發(fā)生一定程度的變化[28-29]。

高文遠等[30]應用隨機擴增多態(tài)性DNA(RAPD)分子標記技術研究表明，微重力引起曼陀羅一定程度的基因組變異。太空丹參的中擴增出A1-900與A1-450序列中的部分序列與對照中的基因序列具有一定的同源性，可能為調控丹酚酸類與丹參酮類生物合成途徑的關鍵酶基因[3]，這為下一步分子輔助育種奠定了基礎。太空環(huán)境對植物亞細胞及其DNA水平產(chǎn)生一定的影響，這些變化可能與植株形態(tài)與內在品質產(chǎn)生直接相關[31]。

1.8 抗性

在不少中草藥栽培中存在連作障礙問題，其根系分泌產(chǎn)生的化感物質是導致連作障礙的主要原因。如在丹參根系分泌物中檢測到多種成分，這些成分在連作障礙中對生長發(fā)育起到抑制作用。楊先國[3]發(fā)現(xiàn)太空丹參根系分泌物中的化學成分的種類較少且含量明顯低于對照，且表現(xiàn)為根部感染根腐病與根結線蟲病的發(fā)病率低于對照，可作為抗病性較優(yōu)的新種質資源。

孟憲水等[20]研究表明，參試的5個太空玫瑰花新品種中，2號、5號2個新品系都未見發(fā)病，屬對銹病免疫型，其他3個品系也均表現(xiàn)出不同程度的抗病能力。

2 中草藥航天新品種及其典型案例

2.1 中草藥航天新品種

中草藥種子經(jīng)過太空誘變后，地面變異評價研究較多，性狀穩(wěn)定品種審定及推廣應用較少。2004年南京中科集團利用長征二號運載火箭搭載靈芝菌種，經(jīng)過不斷觀察篩選，培育出太空靈芝新菌種，此菌種抗腫瘤有效成分靈芝三萜顯著高于對照[32]。

2012年8月31日《中國中醫(yī)藥報》報道，天士力集團培育的太空丹參變異較大，從中選育出的“天丹一號”新品種，該品種單株質量達1000 g以上，為普通丹參的3倍，有效成分含量顯著高于對照，該品種已通過省級審定[32]。

中國醫(yī)學科學院藥用植物研究所將薏苡種子搭載“實踐八號”返回式衛(wèi)星，經(jīng)地面多年選育獲得了“太空1號”薏苡新品種，該品種于2012年通過了北京市品種審定。該品種有效成分含量明顯高于對照，產(chǎn)量提高30%以上，并且抗倒伏、抗病蟲性顯著提高。經(jīng)多點連續(xù)3年中試表明，該品種遺傳性狀穩(wěn)定，產(chǎn)量和品質均顯著高于對照[1]。

2.2 典型案例

1994年，江西省廣昌縣開展了白蓮航天育種研究，培育出航天白蓮新品種，新品種比常規(guī)品種增產(chǎn)60%，經(jīng)過20多年的發(fā)展已成為當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)。

經(jīng)過航天育種的白蓮，其藕、花、葉、蓮、籽粒都產(chǎn)生了較大變異。蓮蓬大，每粒蓮子2.4 g以上，產(chǎn)量高(每公頃產(chǎn)1800 kg)。蓮子表現(xiàn)顆粒均勻，結實率高達90%以上。此外，蓮子采收期比常規(guī)品種延長30～40 d。自2000 年以來，已累計推廣面積13萬公頃，每公頃純增收12 000多元，累計增收20多億元。此外，白蓮航天育種還選育出10多個觀賞品種，已被引種到北京北海公園、北京蓮花池公園、杭州西湖、廣東三水荷花大世界等各大景點，起到了很好的觀賞效果[33]。

3 展望

存在的主要問題：1)缺少中藥學研究，如藥效物質基礎、毒理學和藥效學系統(tǒng)評價。2018年7月23日，國家市場監(jiān)督管理總局頒布了《中藥材生產(chǎn)質量管理規(guī)范(修訂草案征求意見稿)》，其中第四十一條中明確指出：“如需使用非傳統(tǒng)習慣使用的種間嫁接材料、人工誘變品種(包括物理、化學、太空誘變等)和其他生物技術選育品種等，企業(yè)應當提供充分的風險評估和實驗數(shù)據(jù)證明新品種安全、有效和質量可控”。太空育種選育出的新材料、新種質在審定品種推廣前需要科學系統(tǒng)評價；2)農(nóng)藝形狀研究不夠，如產(chǎn)量、性狀穩(wěn)定性、抗性等；3)缺少空間誘變的分子水平的機制研究；4)植物新品種保護與品種審定有待加強；5)達到產(chǎn)業(yè)化應用案例少。針對上述問題，提出下一步的研究展望。

3.1 中草藥航天育種研究方向

主要從以下幾個方面開展研究工作：1)安全性評價，開展毒理學研究評價其安全性；2)藥效學研究，明確藥效學變化及其關鍵藥效成分構成的作用機制；3)藥性變化研究，從藥效物質基礎角度明確藥性變化機理；4)功能性有效成分的生物合成和遺傳調控機理研究以及空間誘變的分子機制，該研究對提高中藥有效成分、產(chǎn)品質量和臨床療效起關鍵作用；5)變異后代穩(wěn)定性研究，包括農(nóng)藝性狀和中藥學性狀，進行多代培育及系統(tǒng)評價，直到考核的性狀穩(wěn)定；6)抗性育種，特別是抗病蟲害以及連作障礙，這是解決中草藥農(nóng)殘及重茬問題的關鍵；7)早期變異篩選，通過高通量分子標記技術進行早期變異篩選，加速育種進程。

3.2 中草藥新品種保護與品種審定

植物新品種保護是知識產(chǎn)權保護的一種形式，國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林業(yè)和草原局是我國植物新品種權的審批機關，這兩部門按照農(nóng)業(yè)和林業(yè)分工，共同負責植物新品種權申請的受理，審查申報新品種的選育過程、特異性、一致性和穩(wěn)定性等內容，對符合規(guī)定條件的新品種授予植物新品種權。良種是指在一定的區(qū)域內，其產(chǎn)量、品質、抗性等方面優(yōu)于當前主栽品種或材料。一般情況，首先要獲得植物新品種權，經(jīng)過實踐證明有應用前景的前提下，并經(jīng)過品種比較試驗和區(qū)域化試驗，再申請良種審定，對于審定的良種才能在適宜地區(qū)推廣應用。上述藥用植物新品種保護和中草藥良種審定工作開展尚少，開展相關工作是產(chǎn)業(yè)化提升的重要內容，要引起廣泛重視。

3.3 建立我國航天育種的協(xié)同創(chuàng)新平臺

為更好解決空間環(huán)境資源應用研究問題，2018年5月，由中國空間技術研究院牽頭，聯(lián)合中國科學院、中國農(nóng)業(yè)科學院、北京中醫(yī)藥大學等共8家單位成立了空間環(huán)境應用聯(lián)合實驗室，該實驗室將開展微重力科學研究、空間材料科學、空間生物工程、空間先進制造、空間育種等方面的技術應用研究。空間育種是該實驗室的重要組成部分，中草藥航天育種由北京中醫(yī)藥大學負責。通過發(fā)揮各聯(lián)合單位優(yōu)勢，形成專業(yè)合力，促進和推動空間應用研究和發(fā)展。

為了使我國航天育種形成合力發(fā)揮更大作用，2018年7月，航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟在北京成立，該聯(lián)盟由中國航天科技集團有限公司、中國科學院、中國農(nóng)業(yè)科學院、北京中醫(yī)藥大學、中國農(nóng)業(yè)大學等單位共同發(fā)起。聯(lián)盟由全國從事農(nóng)業(yè)、林草業(yè)、中草藥、生態(tài)環(huán)境等領域研究與應用的單位組成，掛靠在中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會。聯(lián)盟搭建航天育種研究、產(chǎn)品研發(fā)、成果推廣的共享平臺，建立“產(chǎn)學研用”協(xié)同創(chuàng)新機制和利益共享機制。該聯(lián)盟于2018年12月在北京召開了“航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟第一次聯(lián)盟大會”，在會議期間舉辦了“航天育種2018論壇”。上述協(xié)同創(chuàng)新平臺的建立對于中草藥航天育種工作具有極大的推動作用。

3.4 創(chuàng)新“航天科技+中藥農(nóng)業(yè)+文旅創(chuàng)意”產(chǎn)業(yè)融合新模式

隨著國家大力推進產(chǎn)業(yè)融合，鼓勵發(fā)展鄉(xiāng)村旅游與休閑農(nóng)業(yè)，提倡航天育種產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。我們提出“航天科技+中藥農(nóng)業(yè)+文旅創(chuàng)意”產(chǎn)業(yè)融合新模式，創(chuàng)新提出“航天中藥農(nóng)業(yè)”示范基地和科普教育基地，集聚航天技術、中藥農(nóng)業(yè)等資源要素，打造特色農(nóng)業(yè)新名片和智慧農(nóng)業(yè)新樣板，促進“三產(chǎn)融合、三生統(tǒng)籌”發(fā)展，形成航天中藥農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化體系，為我國生態(tài)農(nóng)業(yè)、中藥農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻。